GPS接收器测试Word文件下载.docx
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透过此应用说明,将可了解进行多项GPS接收器量测的方法:
敏感度、噪声系数、定位精确度、首次定位时间,与位置误差。
此篇技术文件是要能让工程师彻底了解GPS的量测技术。
对刚开始接触GPS接收器量测作业的工程师来说,可对常见的量测作业略知一二。
若工程师已具有GPS量测的相关经验,亦可透过此篇技术文件初步了解新的仪控技术。
此篇应用说明将分为下列数个段落:
GPS技术的基础
GPS量测系统
常见量测概述
敏感度
首次定位时间(TTFF)
定位精确度与重复性
追踪精确度与重复性
每个段落均将提供数项实作秘诀与技巧。
更重要的是,读者可将自己的结果与GPS接收器获得的结果进行比较。
透过自己的结果、接收器的结果,再搭配理论量测的结果,即可进一步检视自己的量测数据。
GPS导航系统介绍
全球定位系统(GPS)为空间架构的无线电导航系统,本由美国空军所研发。
虽然GPS原是开发做为军事定位系统之用,却也对民间产生重要影响。
事实上,您目前就可能在车辆、船舶,甚至移动电话中使用GPS接收器。
GPS导航系统包含由24组卫星,均以L1与L2频带(Band)进行多重讯号的传输。
透过1.57542GHz的L1频带,各组卫星均产生1.023MchipsBPSK(二进制相位键移)的展频讯号。
展频序列则使用称为C/A(coarseacquisition)码的虚拟随机数(PN)序列。
虽然展频序列为1.023Mchips,但实际的讯号数据传输率为50Hz[1]。
在系统的原始布署作业中,一般GPS接收器可达20~30公尺以上的精确度误差。
此种误差肇因于美国军方依安全理由所附加的随机频率误差所致。
然而,此称为选择性可靠度(Selectiveavailability)误差讯号源,已于2000年5月2日取消。
在今天,接收器的最大误差不超过5公尺,而一般误差已降至1~2公尺。
不论是L1或L2(1.2276GHz)频带,GPS卫星均会产生所谓的「P码」附属讯号。
此讯号为10.23MbpsBPSK的调变讯号,亦使用PN序列做为展频码。
军方即透过P码的传输,进行更精确的定位作业。
在L1频带中,P码是透过C/A码进行反相位(Outofphase)的90度传输,以确保可于相同载波上测得此2种讯号码[2]。
P码于L1频带中可达-163dBW的讯号功率;
于L2频带中可达-166dBW。
相对来说,若在地球表面的C/A码,则可于L1频带中达到最小-160dBW的广播功率。
GPS导航讯号
针对C/A码来说,导航讯号是由数据的25个框架(Frame)所构成,而每个框架则包含1500个位[2]。
此外,每组框架均可分为5组300个位的子框架。
当接收器撷取C/A码时,将耗费6秒钟撷取1个子框架,亦即1个框架必须耗费30秒钟。
请注意,其实某些较为深入的量测作业,才有可能真正花费30秒钟以撷取完整框架;
我们将于稍后讨论之。
事实上,30秒钟仅为撷取完整框架的平均最短时间;
系统的首次定位时间(TTFF)往往超过30秒钟。
为了进行定位作业,大多数的接收器均必须更新卫星星历(Almanac)与星历表(Ephemeris)的信息。
该笔信息均包含于人造卫星所传输的讯号数据中,,而每个子框架亦包含专属的信息集。
一般来说,我们可透过子框架的类别,进而辨识出其中所包含的信息[2][7]:
Subframe1:
包含时序修正(Clockcorrection)、精确度,与人造卫星的运作情形
Subframes2-3:
包含精确的轨道参数,可计算卫星的确实位置
Subframes4-5:
包含粗略的卫星轨道数据、时序修正,与运作信息。
而接收器必须透过卫星星历与星历表的信息,才能够进行定位作业。
一旦得到各组卫星的确实距离,则高阶GPS接收器将透过简单的三角表达式(Triangulationalgorithm)回传位置信息。
事实上,若能整合虚拟距离(Pseudorange)与卫星位置的信息,将可让接收器精确识别其位置。
不论是使用C/A码或P码,接收器均可追踪最多4组人造卫星,进行3D定位。
追踪人造卫星的过程极为复杂,不过简单来说,即是接收器将透过每组卫星的距离,估算出自己的位置。
由于讯号是以光速(c),或为299,792,458m/s行进,因此接收器可透过下列等式计算出与人造卫星之间的距离,即称为「虚拟距离(Pseudorange)」:
等式1.「虚拟距离(Psedorange)」为时间间隔(Timeinterval)的函式[1][4]
接收器必须将卫星所传送的讯号数据进行译码,才能够获得定位信息。
每个卫星均针对其位置进行广播(Broadcasting),接收器跟着透过每组卫星之间的虚拟距离差异,以决定自己的确实位置[8]。
接收器所使用的三角量测法(Triangulation),可由3组卫星进行2D定位;
4组卫星则可进行3D定位。
设定GPS量测系统
测试GPS接收器的主要产品,为1组可仿真GPS讯号的RF向量讯号产生器。
在此应用说明中,读者将可了解应如何使用NIPXI-5671与NIPXIe-5672RF向量讯号产生器,以达到量测目的。
此产品并可搭配NIGPS工具组,以模拟1~12组GPS人造卫星。
完整的GPS量测系统亦应包含多种不同配件,以达最佳效能。
举例来说,外接的固定式衰减器(Attenuator),可提升功率精确度与噪声层(Noisefloor)的效能。
此外,根据接收器是否支持其直接输入埠的DC偏压(Bias),某些接收器亦可能需要DC阻绝器(Blocker)。
下图即为GPS讯号产生的完整系统:
图1.GPS产生系统的程序图
如图1所示,当测试GPS接收器时,往往采用最高60dB的外接RF衰减(留白,Padding)。
固定式衰减器至少可提供量测系统2项优点。
首先,固定式衰减器可确保测试激发的噪声层低于-174dBm/Hz的热噪声层(Thermalnoisefloor)。
其次,由于可透过高精确度RF功率计(Powermeter)校准讯号准位,因此固定式衰减器亦可提升功率精确度。
虽然仅需20dB的衰减即可符合噪声层的要求,但若使用60~70dB的衰减,则可达到更高的功率精确度与噪声层效能。
稍后将接着讨论RF功率校准,而图2抢先说明衰减对噪声层效能所造成的影响。
表1.不同衰减所需的仪器功率比较
如表1所示,衰减可用于减弱噪声,而不仅限于-174dBm/Hz的热噪声层。
RF向量讯号产生器
当选择RF向量讯号产生器时,NILabVIEWGPS工具组可同时支持NIPXI-5671与NIPXIe-5672RF向量讯号产生器。
虽然此2款适配卡可产生GPS讯号,但由于PCIExpress总线速度较快,并可立刻进行IF等化(Equalization),因此NIPXIe-5672向量讯号产生器较受到青睐。
此2款适配卡均具有6MB/s总数据传输率与1.5MS/s(IQ)取样率,可从磁盘串流GPS波形。
虽然PXI控制器硬盘可轻松维持此数据传输率,NI仍建议使用外接磁盘进行额外的储存容量。
下图为包含NIPXIe-5672的常见PXI系统:
图2.包含NIPXIe5672VSG与NIPXI-5661VSA的PXI系统
GPS工具组可于完整导航讯号期间,建立最长12.5分钟(25个框架)的波形。
依6MB/s的取样率,则最大档案约为7.5GB。
由于上述的波形档案尺寸,所有的波形均可储存于多款硬盘选项之一。
这些波形储存资源选项包含:
PXI控制器的硬盘(推荐使用120GB硬盘升级)
如HDD8263与HDD8264的外接RAID装置
外接USB2.0硬盘(已透过WesternDigitalPassport硬盘进行测试)
上述各种硬盘设定,均可支持超过20MB/s的连续数据串流作业。
因此,任何储存选项均可仿真GPS讯号,并进行记录与播放。
在稍后的段落中,将说明仿真与记录GPS波形的整合作业,并进行GPS接收器效能的特性参数描述(Characterization)作业。
建立仿真的GPS讯号
由于GPS接收器是透过天线传输数据,并取得卫星星历与星历信息;
当然,仿真的GPS讯号亦需要该项信息。
卫星星历与星历信息,均透过文本文件表示,可提供卫星位置、卫星高度、机器状态,与绕行轨道的相关信息。
此外,在建立波形的过程中M,亦必须选择客制参数,如星期时间(TOW)、位置(经度、纬度、高度),与仿真的接收器速率。
以此信息为基础,工具组将自动选择最多12组人造卫星、计算所有的都卜勒位移(Dopplershift)与虚拟距离(Pseudorange)信息,并接着产生所需的基频波形。
为了可尽快入门,工具组安装程序亦包含范例的卫星星历与星历档案。
此外,更可由下列网站直接下载:
Almanacinformation(TheNavigationCenterofExcellence)/almanacs.htm
Ephemerisinformation(NASAGoddardSpaceFlightCenter).gov/gnss_datasum.html#brdc
透过客制的卫星星历与星历档案,即可建立特定日期与时间的GPS讯号,甚至可回溯数年以前。
请注意,当选择这些档案时,必须选择与日期相对应的档案。
一般来说,卫星星历与星历信息为每日更新,因此当选择特定时间与日期时,亦应选择同1天的档案。
下载的星历档案往往为压缩的「*.Z」格式。
因此,在搭配使用GPS工具组之前,档案必须先行解压缩。
只要使用工具组中的「自动模式(Automaticmode)」,即可囊括大多数的GPS模块作业,并可透过程序设计的方式,计算都卜勒与随机距离信息;
当然,此功能亦提供手动模式。
在手动模式(Manualmode)中,使用者可个别指定每组人造卫星的信息。
图4即显示此2种作业模式所提供的输入参数。
表2.GPS工具组自动与手动模式的默认值
请注意,工具组将根据所指定的星历档案,于可能的数值范围中强制设定GPS的TOW。
因此,若选择的数值超出该星历档案的范围,工具组将自动设定为最接近的数值并提醒使用者。
「niGPSWriteWaveformToFile」范例程序即可建立GPS基频波形(自动模式),而其人机接口即如下图所示。
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